温室太阳能供暖系统在我国哈尔滨地区的可行性研究

山西机电职业技术学院材料工程系 ■ 李志浩

0 引言

温室栽培是一种利用适宜的微气候条件，在不适合植物生长的季节仍能提供新鲜农产品的生产方式[1]。这种方式中，温室的供暖冷却系统发挥了重要作用，其直接关系到作物的产量及成本[2]。利用太阳能控制温室温度，并利用其为温室设备供电是一项可靠的技术。例如，季节性太阳能土壤蓄热可部分解决夏季和冬季之间的热量供需失衡问题[3]。装有季节性储热系统的温室示范项目在我国上海运行，该项目中500 m2的太阳能集热器通过U型管换热器对4970 m3的土壤加热，可使夜间在室外环境温度只有-2 ℃时，室内温度保持在13 ℃左右[4]。突尼斯能源研究中心建立了装有太阳能空气集热器的温室，夜间室外温度只有8 ℃时，室内的温度可达15℃[5]。突尼斯能源研究中心的另一项研究发现，在1000 m3的温室内铺设细管换热器利用太阳能供暖的成本以取暖费用为例，在12月可降低25%，而在4月能降低51.8%[6]。Hassanien等[7]采用真空管太阳能集热器辅助电热泵的方式对我国昆明某温室进行供热，此方式可使室内温度全年保持在14 ℃左右，4.1年就可收回系统成本。

此外，可在温室屋顶上安装光伏组件，组件所产生的电力可满足温室的通风、照明、灌溉等需求[8-10]。我国黑龙江地区的冬季是从当年的11月到次年的3月，持续时间长且较为寒冷。现有的温室往往采用室内锅炉为其供暖，但越来越多太阳能供暖技术的出现，为高寒地区的温室供暖提供了参考。一项关于大庆太阳能阳光蔬菜大棚房采暖供热示范项目的研究显示，末端采用暖气片供热的集热系统在冬季有较高的集热效率[11]。然而，在利用太阳能集热的同时，将其与光伏发电相结合的程度还有待提高。

本文采用太阳能集热与光伏发电相结合的方式，设计了一套温室太阳能供暖系统。太阳能集热系统将收集的太阳能热量储存在地下蓄热池中，末端采用热风机将水箱内的热量以强制对流的方式扩散到温室内，热风机运行所需的电量由光伏发电系统提供，增强了光伏发电技术与农业大棚的有效结合。利用PVsyst软件进行发电量预测，结果显示，在哈尔滨地区，冬季光伏发电系统的发电量较高，确保了温室太阳能供暖系统在冬季的有效运行。

1 温室太阳能供暖系统的工作原理

图1为温室太阳能供暖系统的工作原理图。

图1 温室太阳能供暖系统工作原理图

1)太阳能集热系统的工作原理为：平板太阳能集热器吸收太阳辐射，通过集热循环泵将集热器的热量存储在地下蓄热池内，由热风机散热装置将水箱内的热量以对流方式扩散到温室内，使温室度保持在植物生长所需的温度附近。该系统主要包括平板太阳能集热器、控制柜、地下蓄热池、集热循环泵、热感循环泵及缓冲水箱等。

根据平板太阳能集热器的性能及工程经验，其集热效率可达到45%。以热风机的强制散热代替普通采暖器的自然散热，从根本上解决了单纯利用水暖而造成的系统升温慢的弊病，并且室内的温度升降都较为均匀。当夜晚遇到极端天气，缓冲水箱散热温度达不到要求时，可通过焚烧秸秆或燃煤辅助缓冲水箱的方式保持室温。

2)光伏发电系统。以面积为600 m2的温室为例，在温室内安装总功率为9.5 kWp的光伏组件，安装总功率为3 kW的16台功率190 W的电机作为光伏发电系统的负载。光伏发电系统包括光伏组件汇流箱、逆变器双向电表及光伏专用线缆等，光伏组件不仅可满足使用需求，将白天所发电力的一部分供给热风机及水泵，使其能正常工作，多余的电量还可并入电网。当光照不足时可由电网供电。

2 热负荷分析

2.1 温室物理模型的建立

项目地点为哈尔滨(125°42′ E ～130°10′ E，44°04′ N ～46°40′ N)，温室类型为节能型日光温室。温室结构包括温室后墙、东西山墙、温室内表面、与水平面呈45°的后屋面及温室采光面。其中，温室采光面包括上弦、下弦、腹杆、水平拉结钢筋拱架、前屋面覆盖的PE无滴膜，以及由电动卷被机控制展开或收拢的保温被[12]。日光温室剖面图如图2所示。

图2 日光温室剖面图

2.2 温室的热负荷分析

温室热负荷Q的计算式为[7]：

式中，Qrc为由辐射、传导、对流引起的热损失；Qi为由冷风渗透引起的热损失[12]。

Qrc可表示为：

式中，∑A0为温室的总面积，m2；K为覆盖材料的综合传热系数[13-14]，W/(m2·℃)；Ti为室内的设计温度，℃，本文取15 ℃，该值满足大多数植物可正常生长的最低温度；To为室外温度，℃，本文取-20 ℃。

覆盖材料的综合传热系数如表1所示。

表1 覆盖材料的综合传热系数

Qi可表示为：

式中，ρi为室内空气的密度，kg/m3，本文取1.415 kg/m3；Cpai为室内空气的比热容，J/(kg·℃)，本文取 1.0 J/(kg·℃)；N为温室换气次数，次/h；V为温室的体积，m3。

由式(1)～ 式(3)可计算得到温室的热负荷Q为45.3 kW。

集热器提供的能量Qt可表示为：

式中，m为地下蓄热池容量，t；Cpw为水的比热容，J/(kg·℃)，本文取4.2×103J/(kg·℃)。

由于热负荷Q与集热器提供的能量Qt平衡，考虑到热损失，取集热器效率为45%，即Q=45%Qt。因此，由式(4)可以计算出地下蓄热池的设计容量为12 t。

集热器效率η的表达式为：

式中，I为集热器表面接收到的斜面辐射量，MJ/(m2·d)，哈尔滨地区1月取12.3 MJ/(m2·d)；Ac为集热器面积，m2；Tco、Tci分别为集热器出口热水及进入集热器时冷水的温度。

当集热器效率取45%时，可计算出集热器的面积为221 m2，因此，需要单位面积为8.33 m2的集热器约27台。

3 基于PVsyst仿真的光伏发电系统发电量预测

采用多种形式将光伏组件与温室相结合，可增加温室的电力供应，达到农光互补的目的[15]。利用PVsyst进行阴影分析，使光伏组件的排布合理化，减少对作物的阴影遮挡[16]。项目既可选择普通的光伏组件，也可选择半透明的薄膜组件，提高温室的热稳定性[17-18]；日光温室通常在后排支架安装光伏组件。本案例中计划在温室后排安装总功率为9.5 kWp的多晶硅光伏组件，一方面可将组件所发电量用于温室设备；另一方面可将多余电量并入电网，以售电的方式为温室营收。

3.1 基于PVsyst仿真的光伏发电系统的设计过程

1)建立哈尔滨地区的气象数据，设置地面反射率的值，其中，11月 ～ 次年2月为0.82，3 ～10月为0.2。

2)以全年发电量最优为条件设置组件最佳倾角为40°，方位角为0°。

3)选用36块标称功率为265 W、工作电压为26 V的多晶硅光伏组件组成光伏阵列，阵列的串联数为12，并联数为3。选用3台功率为3 kW、输入电压范围为120～600 V的逆变器，可以满足阵列的输入需求。

4)损耗设计：光伏阵列勾选“自由通风”；选用截面积为2.5 mm2的线缆15 m，损耗为37.6 mΩ；组件功率损失为2%，污染损失为3%。

5)按月份设计用户用电需求：10月～次年3月用户用电时间按每天6 h计，用电量为18 kWh/d；4 ～9月电量仅并入电网。

3.2 发电量分析

YF是指每天监测到的光伏组件总功率所发电量折算成每kW的发电量，其可表示为[19]：

式中，EAC为交流侧输出的电量，kWh；PPV为标准测试条件下光伏组件的总功率，kW。

YR是指理想条件下，每天每kW光伏发电系统接收到的太阳能辐射资源全部转换成的电量，其可表示为[20]：

式中，Ht为总的水平辐射量，kW/m2；G0为参考辐射量，kW/m2，本文取1 kW/m2；t为辐射时间，h。

能效比PR用于表示在直流电向交流电转换过程中的损失对于光伏组件功率输出的影响，其可表示为[21]：

LC是在光电转换过程中由于对流传热及对周围环境的辐射所引起的辐射能转换为电能时造成的损失，其可表示为：

式中，YA为组件标称功率下每天每kW的输出电量。

LS是光伏发电系统每天发生在线路、逆变器等每kW的电量损失，其可表示为：

图3为组件倾角为40°时，YF、LC与LS的模拟结果。由图3可知，YF、LC与LS的均值分别为3.81、0.42和0.18 kWh/(kW·d)。若以冬季发电量最优，设计倾角为60°时，这3个值分别为3.69、0.39、0.17 kWh/(kW·d)。显而易见，为了满足全年的发电量最大，选用40°的倾角是合理的。冬季太阳辐射量较少，YF相对较小，但在寒冷的冬季LC的损耗最小；而夏季LC的占比很大，约为15%，导致夏季的YF受到很大影响。不论倾角设计为40°还是60°，全年最佳YF值均在3月。利用PVsyst软件也可以设计出太阳能集热器的最佳倾角。若最优化条件为冬季接收的太阳辐射量最大，则太阳能集热器的最佳倾角设定为60°，此时可满足太阳能集热器在冬季收集最多太阳辐射的需求。

图3 每月的平均日产能及能量损失

能效比的月值的模拟结果如图4所示。由图可知，全年PR的平均值为0.864。季节性的天气变化是造成PR冬夏差异的主要原因，PR值较高是由于冬季收集电流过程中LC的损失大幅降低，这也反映了光伏发电系统的有效运行。

图4 能效比的月值

因辐射、温度、组件失配、线缆、逆变器等原因造成的年损耗占比为9.3%。可见，在哈尔滨地区安装光伏发电系统的整体能量损耗较小，这与当地的辐射、温度等气象条件有关。提供给用户侧的电量占比为7.9%，剩余的82.8%电量并入电网，共计12.0 MWh，具体如图5所示。

图5 基于PVsyst仿真的光伏发电系统年损耗与发电量情况

3.3 经济性分析

温室的成本主要包括：

1)供热系统按照容量为12 t的地下蓄热池的价格计算，约为18 万元。

2)温室建筑费用按约450 元/m2的单价[22]计算，约为28 万元。

3)光伏发电系统按光伏组件8.5元/W的单价计算，约为8万元。

温室及太阳能供暖系统的总造价约为54万元。以5%的利率贷款6年计，成本为72.4万元。以每年2%的运维费用计，每年的运维费用为1.1 万元。

采用太阳能供暖系统后，温室的收入主要包括：

1)果蔬种植以草莓为例，在6个月内可产2季，每季产量以3000 kg、单价 20 元/kg计，则1年的收入共计12 万元。

2)售电按照“售电+补贴”，以1.1元/kWh的价格计，第一年的售电收入为1.37万元。按照每年发电量降低5%计，前6年累计发电量收入共计7.2万元。

综合系统成本及收入计算，用6年时间可收回成本。

4 结论

在我国东北地区建设温室，供暖系统的设计是一项重要的内容。利用太阳能集热系统可满足温室的热量需求，光伏发电系统可提供所需的电量，如此一来增强了光伏发电技术与农业大棚的有效结合。

以哈尔滨地区为例，若建设面积600 m2的日光温室，计算得到热负荷为45.3 kW，地下蓄热池的容量为12 t，需集热器的面积为221 m2。在温室后排安装1套9.5 kW的光伏发电系统，负载功率为3 kW。10月～ 次年3月为温室供电，余电上网；4～9月全部并网售电为温室获得额外收益。基于PVsyst的模拟结果，光伏发电系统的最终发电量YF为3.81 kWh/(kW·d)，PR均值为0.864，说明了系统的有效运行。全年并入电网的电量为12.0 MWh，占全部发电量的82.8%；用于负载的电量为1.15 MWh，占全部发电量的7.9%；其余因辐射、温度等损耗的电量占9.3%。估算的温室及太阳能供暖系统的总造价约为54万元，成本回收周期为6年。利用PVsyst软件模拟的发电量显示，哈尔滨地区冬季的发电量较高，确保了该系统在冬季的有效运行。